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1、移动机器人嵌入式系统设计与路径规划算法研究 中国海洋大学硕士学位论文移动机器人嵌入式系统设计与路径规划算法研究姓名:朱晓荣申请学位级别:硕士专业:信号与信息处理指导教师:周东辉20040701杉动机鞘人嵌入式系统设计与婚静规划算法甜究移动机器人嵌入式系统设计与路径规划算法研究摘要随着社会的发展,工业机器人产量逐年增加,但根据最新预测,到世纪,家用机器人将成为机器人制造业的主力机种。工业机器人主要用于以工厂为代表的第二产业,而家用机器人则主要用于第三产业的服务业,在普通家庭中蕴藏着巨大的潜在市场。本文对家用移动机器人嵌入式智能规划系统进行了深入研究,在智能算法和硬件设计两方面取得了具有实际应用价
2、值的结论,实现了家用移动机器人的自主行走、实时避障、自动寻找充电器充电、不重复走遍整个房问地面等功能。为了实现上述目标,本文采用了以下路径规划策略和控制算法。工作环境的不确定性例如室内物体摆放的位置不同要求家用移动机器人具有对环境的白适应能力。遗传规划算法具有在事先不需要知道解的规模、类型和结构复杂性等情况下,解的属性可以根据问题的需要由求解过程来确定,而且基因编码长度动态可变,这些优点使得遗传规划算法特别适合用于家用移动机器人在未知环境下的路径规划。另外一方面,它的内核占用的空问少,易于用硬件实现。因此本文采用遗传规划算法来实现家用移动机器人的实时避障,采用交叉自律行走的模式实现路径不重复地
3、走遍整个房问地面。另外,为了实现移动机器人的实时避障功能,不仅要求硬件系统具有较强的数据处理能力,而且应该具有软件可移植性和硬件可扩展性。基于这些要求,本文采用了处理速度较快的可编程门阵列来实现算法,采用位单片机来实现对外围电路的控制、自动模式与人工控制模式的转换以及电机驱动等。并且该单片机具有强大的语音处理能力,可以很方便的进行语音识别,用语音来控制机器人的行为。在详细阐述遗传规划算法在机器人自适应行为进化过程的基础上,本文讨论了该算法在上实现的几个亟待解决的重要问题,包括个体的寄存器存储方法、最优化随机数在硬件上的获得途径、交叉操作的实现、以及有效的内存管理方法等。软件仿真和实验结果表明,
4、利用上述方法实现的机器人具有较快的白适应迸画的能力,能够首先沿着墙壁走一圈,然后交叉自律行走,能够自动避障,并且能通过遥控操作或语音识别进行自动行走模式和人工控制模式的转换,当检测到电压不足时,能够自动寻找充电器充电。,单片机,避障关键词:家用移动机器人,遗传规划算法,梏动机器人嵌入式系统漩计路径规划算法研究?., ?“. ,. ,., , ., ?.,. . ., . , .,“”. . .】 , ., ,.移动机器人嵌入式系统吐汁,路子州划算法研究、 ,.,. . .,.移动机器人战八系统潢汁与路径规划算法研究概述.课题背景工业机器人自问世以来很快在世界范围内得以广泛应用。目前,工业机器人
5、产量逐年增加,但据最新预测,到世纪,家用机器人将成为机器人制造业的主力机种。工业机器人主要用于以工厂为代表的第二产业,而家用机器人则主要用于第三产业的服务业,在普通家庭中蕴藏着巨大的潜在市场。但是,这种家用机器人目前尚无已完善的实例,其定义有各种说法,其技术亦各有千秋。如果要说有共同认识的话,那就是一致认为家用机器人是“在家庭中为个人服务的机器人”。在一般家庭中普及机器人的设想源于两个出发点。其一是以年轻人为中心的家庭成员的价值观的变化,即从“以工作为中一”转变为“以自我为中心”,追求生活的高质量,追求家务劳动的省力化,实现家庭自动化。这就需要借助于家用机器人的服务。其二是整个社会的老龄化。随
6、着出生率的下降,人类将呈现出长寿化,形成老年人多、年轻人少的社会。从社会福利的角度考虑,需要对许多老人配以家庭助手。但因工资、劳动条件等因素的影响,加之前述年轻人价值观的变化,在供不应求的劳动力市场上很难找到自然人作为家庭助手,故需家用机器人来补充劳动力市场。家用机器入的开发犒是今后一个时期机器人的一个重要发展方向。日本和美国都在加紧研制能够广泛用于家庭中的家用机器人,这种机器人除了能够给家庭带来娱乐外,还能够帮助家庭干一些家务,家用机器人的发展趋势将是智能化和多功能化。这种机器人运用最先进的电脑技术和通讯技术,能够与正在上班的人取得正常联系,家用机器人能够根据主人的意图完成做饭、打扫卫生、收
7、发电子邮件等许多工作。一些家用机器人还将能够取代保姆的作用,这些机器人在未来将能够替代人类的大量家庭劳动、为人类的生活带来极大的方便和乐趣。国外专家预测,在世纪,家用娱乐型机器人将大量投放市场,其消费势头将会超过彩电、电脑和汽车的消费,家用机器人产业将会成为世纪最有诱惑力的市场之一,特别是能够用于娱乐方面的家用机器人玩具将更受广大家庭消费者的欢迎。而在家用机器人中,家用移动机器人占很大一部分比例。家用移动机器人研究概况本二菱重工开发出种能照顾老人、能看门的家用机器人。这台取名“我之丸”的人形机器人身高,头顶设有鱼眼照相机,根据所摄图像,用各种传感器一边测量对象及障碍物的距离,一边使车轮式的脚在
8、室内绕道行走。它备有充电功能,如果电池电力不足,能自行充电。它能识别多达个人的容貌,掌握约万个单词的移动机器人嵌入式系统盐汁与路杼规划算注研究简单会话。能用内置的无线定位器功能,经常连接通信网络,同外出的对方保持联络及遥控操作。例如,外出的人可用手机了解家中的状态,若有大的声响,它能通知预先指定的联络对象,起到“看门作用”;又如发现独立生活的高龄老人有异常,它能立即通知远方的家属,起到“看护作用”;还能设置提醒服药的时间以及传递健康信息管理等功能。本田公司出品的版机器人能用声音控制,它有一个憨态可掬的傻瓜外形,每小时可以行走千米千米。它的身高厘米,重约多千克,体格相当于小学生。的头部配备了两部
9、照相机,可以测量与用户及周围物体之间的距离,并推算用户及物体所在的方向与移动,简单地说,这是一个能自觉地跟着主人走动的机器人。除了可以做“随从”之外,还有“认人”的本领,它能从拍摄的图像中抽取人与物体的轮廓进行识别,据说最多能认个人,同时能区分一些简单的姿势并做出回应。年日本横滨机器人大展上展示的不仅具各以上的特点,还大大增进了行进速度,搭载了不少全新技术。日本机器人开发公司近日推出一种可以通过声音和手机远程遥控的家用人形机器人,这是世界上首次被推向市场的家用步行机器人。 据日本读卖新闻日报道,这种机器人的名字叫“”,身高厘米,体重.斤,可放在手提包里携带,脚上穿着落地时可减少冲击力的机器人鞋
10、子。它有个内置发动机,可以自己掌握平衡,用两脚步行和跳舞,能做出指令要求的各种动作。人可以用声音或手机进行远程操作,还能通过手机看到机器人脸部照相机拍下的图片。公司介绍说,可以与小孩一起玩耍,成为他们的好伙伴,还可以和老人对话,让他们开心姆闷儿排解寂寞。此外,机器人的主人还可以把它单独放在家里看家。两脚步行机器人在吐界上第一一次推向市场,预示着机器人开始由产业使用向个人使用的转变。由中科院沈阳自动化研究所与中科院自动化研究所联合研制成功的一种新型特计划验种机器入?基于复合机构的非结构环境移动机器人,目前通过国家收。专家组认为这一机器人具有很强的环境适应能力,能在多种复杂、多变、恶劣的环境下完成
11、运行操作。长期以来,采用何种移动机构和移动方式,一直是移动机器人的关键技术之一。这一课题组借鉴以往的轮式、腿式、履带或滑板式等单一驱动方式,采用了先进的轮一腿履带等多种复合型装置。这些驱动装置自由组合、分西作,既可充分利用单一驱动方式在特定环境下的某种优势,又可集中发挥各种仂调装置在复杂多变环境下的综合效力。这种机器人自重不到公斤,长.米、宽.米、高 米,履带移动速度每分钟米,胶轮移动速度可达每分钟米。整机采用了“多传感器信息融合”新技术。为了弥补机器人探测“盲区”,在机器人的四周装有超声波传感器和红外线传感器,用以搜集机器人各个方向的障碍物信息;同时还装有确定目标方位的视觉传感器,用来检测机
12、器人位置的电予罗盘等。在基于神经网络与模糊算法的自主控制状态下,机器人具有自动回避障碍、寻找目标、上楼梯、跨越障碍等功能,驯使而对多种结构的复杂环境,也能应付自如,迅速做出判断,根据不同的地面状况自移动机器凡嗽入,系统设计与鸭行慨划算法研究动切换移动方式。据了解,这种特种机器人技术集机械、电子、新材判、传感器、计算机、智能控制与网络通信等多门科学于体,是最具基础性、战略性和前瞻性的高新技术。专家认为,这种机器人具有极强的环境适应能力,将为中国在太空、海洋等未知环境下的探测勘察工作提供技术保障。.移动机器人路径规划概述移动机器人路径规划是机器人学的一个最基本也是最复杂的问题,它被描述成:给定一个
13、移动机器人所处的环境环境可以通过移动机器人视觉系统或者别的途径获得,个起始点和一个期望的终止点,移动机器人蹄径规划就是根据一定的任务要求寻求一条连接起始点到终止点且能避开环境中障碍物的移动机器人的运动轨迹,即最优或次优有效路径.路径规划是移动机器人导航中最重要的任务之一。目前,移动机器人的路径规划算法主要有两种类型:一种是基于环境先验完全信息的路径规划;另一种是基于传感器信息的不确定环境的路径规划。完整的先验信息只适用于静态环境,在情况下,路径是离线规划的。在环境不确定的情况下,路径必须在线规划,其中还包含在线避障算法。近年来,国内外学者对存在固定障碍的路径进行了大量研究,提出了一些算法。其中
14、比较成功的方法主要有势场法和栅格法。.首先提出了人工势在年和年加以改进,提出了一种人工辅助全局场法,后来由.路径规划法,并进行了性能分析。用栅格法表示格予环境模型中存在障碍物的可能性的方法起源于美国大学。以后,.虽用栅格表刁一环境,但是,在更新值上与删方法不同。在每一次的超声传感器读值时,只需要很少的计算,只影响一个栅格的值,该栅格就是距离超声头为读值的栅格,它在传感器的轴上。用势场法决策出虚拟力场去控制移动机器人行驶。通过】陷阱区域; 在相近障碍物的实验研究,发现了势场法存在四方面问题:之间不能发现路径;在障碍物前振荡;在狭窄通道中摆动。.提出了一种矢量场矩形法,仍采用栅格表示环境,还采用了
15、两极数据减少技术和信息的三个级别表示,由算法的输出信息控制移动机器人的速度大小和方向,呈现出良好的性能。但是该方法存在环境分辨率高与环境信息存储量大的矛盾,因此,在实用上受到一定限制。针列圭见划区域中障碍物形状和分布复杂的情况,为了得到满意的路径,并且满足实酬性的要求,后来征栅格法的基础上,采用基于案例的学习方法来解决移动机器人的路径规划。基于案例的学习方法依靠过玄的经验迸彳:二学习及题求解。一个新案例可以通过修改库中与当前情况相似的的案例来获得。基于案例的学习是增量式的,学习的成功率随着案例的增加而提高,案例的匹配过程也是案例库的扩充过程。堪于案例的学习重视的是如何组织和管璀一个案例库,在需要进行摊璀吲如何快速的从案例库中找到合适的匹配案例,以及是否扩充案例库。移动机器人嵌入武系统醴汁与路径规划算法硼究在基于多传感器融合的导航研究中,模糊逻辑和神经网络是采用得比较多的两种方
